GPS在公路測量中的應用

1 GPS 測量簡介

全球定位系統(GPS) 是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高精度導航和定位的要求而建立的。該系統從本世紀70 年代初開始設計、研制。GPS 具有全天候提供高精度的連續實時三維導航、定位能力。自1980 年第一臺商用GPS 接收機問世以來,隨著GPS 工作衛星的不斷入軌和GPS 接收機性能的不斷提高和改進,GPS測量技術已廣泛應用于我國國民經濟建設的各個部門。

實時GPS系統由以下3部分組成.

(1) GPS信號接收系統. 從理論上講,雙頻接收機與單頻接收機均可用于實時GPS測量. 但是,單頻機進行整周未知數的初始化需要較長的時間,此乃實時動態測量所不允許的;加之單頻機在實際作業時容易夫鎖,夫鎖后的重新初始化要占去許多時間,因此,實際做作業中一般應采用雙頻機.

(2)數據實時傳輸系統. 為把基準站的信息及觀測數據一起實時傳輸到流動站,并與流動站的觀測數據進行實時處理,必須配置高質量的無線通訊設備(包括無線信號調制解調器). 由于數據信息量大,必須采用較高的傳輸速度,波特率通常要在9600以上. 利用數據實時傳輸系統,流動站可以隨時調閱基準站的工作狀態和設站信息. 這對于保證成果質量的排除

觀測中出現的問題十分有利.

(3)數據實時處理系統. 基準站將自身信息與觀測數據,通過數據鏈傳輸至流動站,流動站將從基準站接收到的信息與自身采集的觀測數據組成差分觀測值. 在整周未知數解算出臺后,即可進行每個歷元的實時處理. 只要保持鎖定四顆以上的衛星,并具有足夠的幾何圖形強度,就能隨時給出厘米級的點位精度. 因此,必須具備功能很強的數據處理系統. 目前該系統已發展成為多功能的完整系統,所以能成功地用于實際作業中.

由于公路建設無論是在測量原則,還是在測量精度和作業方法等方面有自己的特點。公路路線一般處在一條帶狀走廊內。其平面控制測量往往采用導線形式,這包括附合導線、閉合導線、結點導線等導線網形式。目前GPS 測量技術在公路測設中主要用于建立公路工程測量控制網及動態RTK 測量。下面結合GPS 使用情況對公路GPS 控制測量作一簡要介紹。

2 GPS測量的特點

相對于經典測量學來說, GPS測量主要有以下特點：

(1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題, GPS這一特點, 使得選點更加靈活方便,但測站上空必須開闊, 以使接收GPS衛星信號不受干擾。

(2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm, 隨著距離的增長, GPS測量優越性愈加突出。

(3)觀測時間短。采用GPS布設一般等級的控制網時, 在每個測站上的觀測時間一般在1-2小時左右, 采用快速靜態定位的方法, 觀測時間更短。

(4)提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時, 可以精確測定觀測站的大地高程。

(5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高, 在觀測中測量員的主要任務是安裝并開關儀器、量取儀器高和監視儀器的工作狀態, 而其它觀測工作如衛星的捕獲, 跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

(6)全天候作業。GPS觀測可在任何地點, 任何時間連續地進行, 一般不受天氣狀況的影響。

3 GPS在公路測量中的應用

3.1 靜態GPS 測量技術在公路測量中的應用

靜態GPS 測量技術主要用于建立公路首級控制網,之后再利用其它測量方法進行加密的附合導線測量。控制網的建立過程如下:

第一步:路線、GPS 點選址的初步勘察

接到外業測量任務后,組織人員對路線的走向進行初步勘察,查看沿線可選作GPS 點的位置情況。調察路線附近高等級GPS 點以便進行聯測。

第二步: GPS 點控制網的設計

GPS 控制網的布設應根據公路等級、沿線地形地物、作業時衛星狀況、精度要求等因素進行綜合設計。因為GPS 控制網作為公路首級控制網時,需采用其他測量方法進行加密。故沿路線兩側每隔5-10km 布設一對相互通視的GPS 點。理論上GPS點觀測時只須在3 個GPS 點上架設GPS 儀同時觀測即可確定這3 個點的坐標。考慮到公路測量本身的特點采用4 臺GPS 儀同時觀測4 個GPS 點,這樣可大大加快全線的測量速度。

第三步: GPS 選點、埋石

選點應按技術設計要求有利于采用其他測量方法擴展和聯測。

第四步:架設GPS 儀觀測

4 個GPS 點觀測的共同時間、有效觀測衛星總數等應滿足規范要求。我們在外業的觀測中規定觀測時間不得少于0.5h ,有效觀測衛星數不少于4個。

第五步: GPS 觀測數據的處理

外業觀測結束后將GPS 中的數據傳入計算機中,采用南方公司的軟件(包括采集器與計算機通訊軟件、基線向量處理軟件、網平差及坐標轉換軟件),及時進行數據處理和質量分析。過程可分為基線解算與檢核、GPS 控制網平差計算兩個步驟。

第六步: GPS 控制網進行加密。

利用全站儀測量附合導線的方法進行首級GPS 控制網的加密作業。將路線按GPS 的分布分成若干段,每一段單獨進行附合導線的測量,保證每一段附合導線起始于GPS 點,終止于GPS 點。

第七步:導線點座標及平差計算

將每段附合導線測量數據傳輸到計算機中進行角度、距離平差得到最后結果。

3.2 RTK技術在公路測量中的應用

實時動態(RTK)定位技術是以載波相位觀測值為根據的實時差分GPS (RTDGPS)技術,它是GPS測量技術發展的一個新突破,在公路工程中有廣闊的應用前景. GPS靜態定位、準動態定位等定位模式,由于數據處理滯后,所以無法實時解算出定位結果,同時無法及時對觀測數據進行檢核,這就難以保證觀測數據的質量,在實際工作中經常需要返工來重測由于粗差造成的不合格觀測成果. 解決這一問題可通過延長觀測時間來保證測量數據的可靠性,但這樣一來則降低了GPS測量的工作效率. 實時動態定位(RTK)系統由基準站和流動站組成,建立無線數據通訊是實時動態測量的保證,其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準點,安置一臺接收機作為參考站,對衛星進行連續觀測,流動站上的接收機在接收衛星信號的同時,通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數據,隨機計算機根據相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標和測量精度. 這樣我們使用者就可以實時監測待測點的數據觀測質量和基線解算結果的收斂情況,根據待測點的精度指標,確定觀測時間,從而減少沉余觀測,提高工作效率.

動態定位在公路中的應用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監理和GIS前端數據采集. 測量前需要在一控制點上靜止觀測數據,實時確定采樣點的空間位置. 目前,其定位精度可以達到厘米級.

動態定位模式在公路勘測階段有著廣闊的應用前景,可以完成地形測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量等工作. 整個測量過程在不需通視的條件下,測量1～3 s,精度就可以達到10～30mm,有著常規測量儀器(如全站儀)不可比擬的優點. RTK技術具有很大的優點:實時動態顯示經可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果(包括高程) ;徹底擺脫了由于粗差造成的返工,從而提高了GPS作業效率;作業效率高,每個放樣點只需要停留1～2s,流動站小組作業(1～3人)可完成中線測量5～10km. 若用其進行地形測量,每小組每天完成0.8～1. 5(km)3 的地形測繪,其精度和效率是常規測量所無法比擬的;在中線放樣的同時完成中樁抄平工作;應用范圍廣—可以函蓋公路測量(包括平、縱、橫) ,施工放樣,監理,竣工測量, GIS前端數據采集諸多方面;如輔助相應的軟件, RTK可與全站儀聯合作業,充分發揮RTK與全站儀各自的優勢.

對于我們工程單位來講, GPS靜態定位和動態技術相結合的方法可以高效、高精度地完成公路平面控制測量. 生產過程中采用常規方法和GPS技術相結合生產流程可以極大的提高生產效率.隨著GPS技術特點是RTK技術的發展,其初始化時間越來越斷,跟蹤能力也越來越強,精度越來越高,可靠性越來越強,有著良好的性價比.

3.3 公路控制網的建立

按GPS勘測規程要求,每0. 5～1km間設一控制點,其等級依公路等級而定. 現以高速公路和500～100m特大橋及1000～2000m中長隧道為說明GPS網的建立方法.

根據規范,高速公路要求的控制等級為一級小三角或一級導線. 因此,做等級控制時必須使首級控制點交子這一等級,而首級控制必須做到四等以上. 為此,在搜集資料時必須把測區內的國家三、四等控制點資料搜集齊全. 同時,在布設首級控制網時應在5～10km內布設一首級控制點,以便發展加密控制.

在確立布網等級和方案后,可按以下步驟建立公路控制網. (1)選點. 以選線及控制人員為主,選擇便于工作及以后應用的點位. (2)埋石. 按勘測規范要求,埋選標石,并現場做好點記. (3)實測. 根據所使用的儀器標稱精度和規范的相關要求進行實測. (4)進行平差及精度評定. 根據實測結果進行平差計算,并進行精度評級. 精度滿足所需等級要求即告完成.

這樣,就可建立起高速公路GPS控制網.

3.4 GPS控制網的應用

　?? 建立公路GPS控制網后,共主要用途可體現在以下幾個方面:

(1)公路航測成圖時要有相應的控制依據,可用GPS控制網控制航向和區域寬度. (2)在用其他方法測圖時, GPS控制網可選用首級控制和圖根控制來應用. (3)在公路勘測階段,可以GPS控制網為基礎進行放線及構造物的施放,可大大提高測設精度及原始數據的提取精度. (4)在施工階段,根據設計要求可以GPS控制網進行實地放線及構造物的放樣. (5)在改造公路時,利用GPS控制網可以對公路進行有效的改造.

3.5 公路中線測量

設計人員在大比例帶狀地形圖上定線后,需將公路中線在地面上標定出來. 采用實時GPS測量,只需將中線樁點的坐標輸入GPS接收機中,系統就會定出放樣的點位;由于每個點的測量都是獨立完成的,不會產生累積誤差,各點放樣精度趨于一致.

3.6 公路縱、橫斷面測量

　?? 公路中線確定后,利用中線樁的點坐標,通過繪圖軟件,可繪出沿線縱斷面和各樁點的橫斷面,所用數據都是測繪地形圖時采集來的,不需再到現場進行縱、橫斷面測量,大大減少了外業工作.

3.7 施工測量

實時GPS系統既有良好的硬件,也有極為豐富的軟件可供選擇,施工中點、線、面以及坡度等放樣均很方便、快捷. 精度可達厘米級.

4 小結：

本文作者創新點是從GPS測量中,得出如下體會:

(1) GPS作業有著極高的精度. 它的作業不受距離限制,非常適合國家大地點破壞嚴重區、地形條件困難地區、局部重點工程地區等. (2) GPS測量可以大大提高工作及成果質量. 它不受人為因素的影響. 整個作業過程由徽電子技術、計算機技術控制,自動記錄、自動數據預處理、自動平差計算. (3) RTK技術將徹底改變公路測量模式. RTK能實時地得出所在位置空間三維坐標. 這種技術非常適合路線、橋、隧道勘察. 它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等. ( 4) GPS測量可以極大地降低勞動作業強度,減少野外砍伐工作量,提高作業效率. 一般GPS測量作業效率為常規測量方法的3倍以上. (5) GPS高精度測量同高精度的平面測量一樣,是GPS測量應用的重要領域. 特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區發展的形勢下,往往由于這些地區地形條件的限制,實施常規的幾何水準測量有困難, GPS高程測量無凝是一種有效的手段.